NO851602L - Skjaereverktoey og tilvirkningsfremgangsmaate av dette - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører metallbearbeiding og særlig skjærverktøy og tilvirkningsfremgangsmåte av dette.

En av de moderne trender i utvikling av metallbearbeidelses-teknikker er forbedring av operasjonskarakteristikkene av skjærverktøy ved å påføre slitasjemotstandsdyktige belegg til deres overflate.

Til nå har stor oppmerksomhet vært rettet mot å foredle verk-tøy ved å velge en egnet kjemisk sammensetning for belegg for å passe bestemte operasjonsbetingelser. Imidlertid kan verk-tøykarakteristikken også foredles ved å forbedre strukturen av beleggene.

Det er kjent et skjærverktøy (jfr. Britisk søknad 16, 1,303,

910, Cl. C 23 C 11/08, 24 januar 1973), innbefattende en basis til hvilket av hardlegering og med et slitasjemotstandsdyktig belegg sammensatt av mikrokrystaller av en motstandsdyktig forbindelse innbefattende metaller og elementer av C, N og/ eller B-gruppen. I et slikt skjærverktøy innbefatter et slitas j emotstandsdyktig belegg metaller fra Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta-gruppen.

Det er også kjent en fremgangsmåte for tilvirkning av et skjær-verktøy (jfr. Britisk søknad nr. 1,303,910), som innbefatter trinnene av å oppvarme en basis til en temperatur av 1000 til 1100°C ved å innføre reagenter som inneholder metaller og elementer fra C, N, B-gruppen, og å danne et belegg på overflaten av skjærverktøyet, hvor belegget innbefatter mikrokrystaller av en motstandsdyktig metallforbindelse, hvor belegget oppnås som et resultat av en kjemisk reaksjon mellom reagenter som inneholder komponenter av disse.

Imidlertid har de foranstående skjærverktøy tilvirket ved den ovenfor nevnte fremgangsmåte høy overflateenergi, en faktor som fører til den aktive adhesive og spredende virkning på et mate-riale som skal maskineres.

Også kjent i faget er et skjærverktøy (jfr. US-patent nr. io 4 ,.169,913, Cl. B23B 15/18, 1979), innbefattende en basis hvilke arbeidsflate er forsynt med et slitasjemotstandsdyktig belegg, innbefattende mikrokrystaller av. en motstandsdyktig-metallforbindelse innbefattende elementer av C, N, 0, B-gruppen.

Det ér også kjent en fremgangsmåte for tilvirkning av et skjær-verktøy (jfr. US-patent nr. 4,169,913), innbefattende trinnene av fordamping og ionisering av metall i et vakuummiljø, og deretter innføre en gassreagens inn i nevnte vakuummiljø, .. hvor-gassreagensene inneholder elementer C, N, 0, B, hvor det-sistetrinn;.er,_ dannelsen av.'. ét. slitas jemotstandsdyktig. belegg som et .resultat av gjensidig påvirkning mellom nevnte metall og elementene. Ved denne fremgangsmåten blir metaller for-dampet ved en elektronstråle, ved.å bruke en spesialelektrode for dens ionisering, hvor metaller innvirker på elementene fra C,-N, 0, B-gruppen på en.kald overflate..

Men temperaturbetingelsene under beleggpåføringen ved denne tilvirkningsfremgangsmåten for skjærverktøyet resulterer i absorbsjon av energi av innvirkende metaller og elementer fra C, N, 0, B-gruppen, ved den kalde basis som i sin tur resulterer i dannelse av et belegg med et høyt nivå av fri overflateenergi og forringer varigheten av skjærverktøyene... ,

I tillegg bruker denne tilvirkningsfremgangsmåte for skjærverk-tøy trinnene av evaporasjon og ionisering av metaller uten ■ ■■ <--

å nå et passende høyt nivå for deres ionisering, hvilket også fører til-dannelsen av et belegg med et høyt nivå av fri overflateenergi, en faktor som allerede nevnt ovenfor som er ska-delig for varigheten av skjærverktøyene.

Kjent i faget er nok en tilvirkningsfremgangsmåte for skjær-verktøy (jfr. f. eks. Thesis by S.V. Kasianov, Investigation of Cutting Properties of Tools Håving Wear-Resistant Coatings and Development Trends in the Field, Moskva 1979, Moskovsky Stanko-Instrumentalny Institut, p. 50 i Russland), innbefatten de trinnene av å evaporere og ionisasjon av i det minste et metall i et vakuummiljø, og oppvarme basisen av skjærverk-tøyet, og å rense bearbeidelsesoverflaten av denne ved bombardering av ioner av i det minste et metall, deretter innføring av en gassreagent inn i vakuummiljøet og innvirkning av i det minste et metall med i det minste et element inntil et slitasjemotstandsdyktig belegg er dannet.

Men selv denne tilvirkningsfremgangsmåten for skjærverktøy kan ikke hjelpe i å nå den minimale bearbeidelsesoverflatens fri energi, en ulempe som bev.irker intensiv spredning og adhesiv påvirkning mellom bearbeidelsesoverflaten og materialet som skal maskineres, hvilket i sin tur reduserer varigheten av de tidligere kjente skjærverktøyer.

Den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et skjærverk-tøy med en slik ny struktur av et belegg, hvilke skaper bedre verktøyvarighet, og for å tilveiebringe en fremgangsmåte for tilvirkning av skjærverktøy, hvor temperaturtilstandene og trykket for påføring av det slitasjemotstandsdyktige belegg skaper bedre varighet av skjærverktøyet.

Det er tilveiebragt et skjærverktøy innbefattende en basis hvilke bearbeidelsesoverflate har et slitasjemotstandsdyktig belegg innbefattende mikrokrystaller av en motstandsdyktig forbindelse innbefattende i det minste et metall og i det minste et element fra C, N, 0, B-gruppen, i hvilke ifølge oppfinnelsen et maksimalt antall av mikrokrystaller av den motstandsdyktige forbindelse innbefatter i det minste et metall og i det minste et element av C, N, 0, B-gruppen, og i tillegg Si, er orientert parallelt med bearbeidelsesoverflaten av basis-gruppen ved det samme krystallografiske plan.

Det er fordelaktig at i skjærverktøyet ifølge oppfinnelsen det krystallografiske plan i hvilken nevnte mikrokrystaller er orientert, bør ha minimal overflateenergi.

Det-er.-også tilveiebragt-en-tilvirkningsfremgangsmåte for" - et skjærverktøy, innbefattende trinnet av evaporering og ionisering av - i det minste et-metall, i det minste et vakuum--miljø, og oppvarme en basis av nevnte skjærverktøy, og å rense dets bearbeidelsesoverflate ved bombardering av ioner av i det minste et"metall, og deretter tilføre en gassreagens inn i vakuummiljøet, og gjensidig påvirking av i det minste et metall med i det minste et element for å danne et slitasjemotstandsdyktig belegg oppbygd av deres forbindelser og innbefattende mikrokrystaller i hvilket ifølge oppfinnelsen basisen av skjærverktøyet oppvarmes til en temperatur-mindre enn 100°C under "dets bløtgjøringstemperatur, en oppvarmingstemperatur av basisen under beleggdannelsen opprettholdes i området av fra nevnte temperatur av basisen og +50°C, og gassreagent-trykket holdt i området fra 13,33 til 1,33 10~<2>Pa.

I overensstemmelse med oppfinnelsen, minimaliseres intermolekylær samvirkning mellom skjærverktøyet og materialet som skal maskineres, en fordel som minsker adhesivintensiteten, den kjemiske og spredende prosess som oppstår gjennom skjærverk-tøyet og materialet som"skal maskineres, hvilke i sin tur øker varigheten av skjærverktøyet dannet ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet videre med henvisning til.

en spesiell utførelse av denne, tatt i forbindelse med de ved-lagte tegninger, hvor: Fig. 1 er et generelt snitt av et skjærverktøy tilvirket i samsvar med-den foreslåtte fremgangsmåte (et snitt delvis ut-, skåret), Fig. 2 er et generelt snitt av skjærverktøyet i fig. 1 med krystallografiske plan av mikrokrystaller med minimal overflateenergi i samsvar med oppfinnelsen (et snitt delvis ut-skåret) .

Idet det vises til tegningene innbefatter skjærverktøyet som former målet med oppfinnelsen, en basis 1 (fig. 1), hvilke bearbeidelsesmåte 2 har et belegg 3 formet ved en TiN-forbindelse. Fig. 1 er et forstørret skjematisk riss av TiN mikrokrystaller orientert ved lignende krystallografiske plan 4 parallelt med basis 1. Fig. 2 er en forstørret skjematisk skisse av TiN mikrokrystalle-ene orientert ved et krystallografisk plan 5 med minimal overflateenergi parallelt med basisen 1.

Den foreslåtte tilvirkningsfremgangsmåte for skjærverktøy i overensstemmelse med oppfinnelsen innbefatter trinnene av evaporering og ionisering i det minste av et metall i et basisk miljø. Deretter blir basisen av skjærverktøyet oppvarmet,

og dets bearbeidelsesoverflate renses ved metallionenbombard-ering. Basisen av skjærverktøyet 1, oppvarmes til en temperatur som er. mindre enn 100°C under dens bløtgjøringstemperat-

ur. Oppvarmingstemperaturen av basisen under beleggdannelsen, opprettholdes i området fra dets temperatur til +50°C. Deretter blir det innført en gassreagens innbefattende elementene C, N, 0, B, Si, hvor dets trykk blir justert i området fra

13,33 til 1,33 10 -2 Pa, hvor det følgende trinn er samvirkning mellom i det minste et metall og i det minste et element fra C, N, 0, B, Si-gruppen, som resulterer i dannelsen av et slitas j emotstandsdyktig belegg innbefattende mikrokrystaller av en motstandsdyktig forbindelse innbefattende i det minste et metall og i det minste et element fra gruppen C, N, 0, B, Si, hvor nevnte mikrokrystaller er orientert ved det samme krystallografiske plan, parallelt med bearbeidelsesoverflaten av basisen.

Skjærverktøyet ifølge oppfinnelsen opererer på følgende måte. Under metallbearbeidingsprosedyren, virker det slitasjemotstandsdyktige belegg 3, (fig 1,2) ved et metallarbeidsstykke under nøye temperatur- og trykkbetingelser som oppstår i skjær-sonen. Orientering av et maksimalt antall av mikrokrystaller ved det. samme .krystallograf iske--plan 4-parallelt med bear^ beidelsesoverflaten 2 av basis-1, skaper avtagende fri energi av bearbeidelsesoverflaten 2 av basisen 1, et trekk som reduserer intensiteter av intermolekylær samvirkning mellom bearbeidelsesoverflaten.og materialet som maskineres.

Når det krystallografiske plan 5 (fig. 2) hvor mikrokrystallene er orientert har minimal overflateenergi, minimaliserer intermolekylær samvirkning, en fordel som øker ytterligere varigheten - av.skjærverktø<yet>. Eksempler nedenfor er gitt for å.mulig-gjøre bedre forståelse av den foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 1.... i Det ble tilveiébragt bor méd diameter 5 mm, og en prøve for en røntgendiffråksjonsanalyse av et stålbelegg med følgende sammensetning:

Stålets anløpningstemperatur var 56 0°C. Borene og prøvestykket som skulle utsettes for røntgenstrålediffraksjonsanalysen ble renset for foruresning, plassert i spesielle beholdere, og samtidig senket ned i et vakuumkammer i hvilke en titankatode> • var innstallert. Et unertrykk på 6,65 10 Pa ble skapt i kammeret hvoretter en elektrisk bue ble injitiert. Således ble titanet evaporert og ionisert.

Borene og prøvestykket utsatt for røntgenstråletraksjonsana-lysen ble matet med en negativ spenning som aksellererte po-sitivt ladede titanioner. Bombardering.av bearbeidelsesoverflaten av borene og prøvestykket med titanioner ble brukt for å rense deres overflate og oppvarme basisen. Så ble spenningen påført sporene og prøvestykket minsket. Samtidig ble nitrogen innført i kammeret. Nitrogenet reagerte med titan, og formet derved et belegg av en motstandsdyktig forbindelse (TiN) som innbefattet mikrokrystaller. Belegget av TiN ble påført til bearbeidelsesoverflaten av sporene og til overflaten av prøve-stykket under ulike oppvarmingsbetingelser og ved forskjellige nitrogentrykk.

Et nytt sett av bor og et nytt prøvestykke ble brukt for hver prøvemåte. Orienteringsgraden av mikrokrystallene av den motstandsdyktige TiN-forbindelse, ble evaluert ved å utføre en røntgenstrålediffraksjonsanalyse av prøvestykket i forhold til høyden av diffraksjonstoppen av røntgenstråling fra det krystallograf iske plan 4 (5) av et mikrokrystall med minimal overflateenergi. Den maksimale høyde av dif f rak sjonstoppen av røntgenstråling fra planet 4 (5) i den gitte serie av eksperimenter ble tatt for å være 100%. I andre eksperimenter, ble den ovenfor nevnte høyde brukt for referanse i evaluering av høyden av diffraksjonstoppen i nevnte plan som inneholder TiN-mikrokrystaller.

Fem bor i hvert utvalg av ferdige gjenstander med et belegg av motstandsdyktig TiN-forbindelse ble utprøvd i borehull med 15 mm dybde i stål med den følgende sammensetning:

En vertikal boremaskin ble brukt under de følgende drifts-betingelser:

hastighet, V = 4,5 m/min,

mating S = 0,13 mm.

Tabellen nedenfor gir resultatene oppnådd i et prøveutvalg av bor og prøvestykker utsatt for en røntgenstråletraksjonsana-lyse, hvilke var tilvirket under ni forskjellige operasjonsbetingelser. Prøveresultatene viser at den høyeste varighet av bor ble oppnådd under de følgende betingelser: en bor- basis-: oppvarmings tempera tur .på.-.500 .til 550oc.før .innføring--. av.nitrogen;. et nitrogentrykk på .1,19 Pa; og en. boroppvar^- .... mingstemperatur på +50 til 500PC ved det tidspunkt titan rea-gerer med nitrogen. Den høyeste varighet ble oppnådd i tile-feilet av bor med et belegg av en motstandsdyktig TiN-forbindelse innbefattende mikrokrystaller, et maksimalt antall av hvilke ble orientert parallelt, med bearbeidelsesoverflaten av basisen med planet: 4. (5).. ; .:-" -

Eksempel . 2 ........;

Det ble tilvirket bor med diameter 5 mm og prøvestykker som" skuile"utsettes for en røntgénstrålediffraksjonsanalyse. Hardlegeringen som ble brukt hadde den følgende sammensetning:

Bløtgjøringstemperaturen var t = 700-720°C. Borene og prøve-stykkene som skulle utsettes for en røntgénstrålediffraksjons-analyse, ble samtidig ført inn i et vakuumkammer inneholdende en katode oppbygd av en legering som var 50 % Ti og 50 % Hf. Belegget ble påført mye på samme måte som i eksempel 1, den ene forskjell var at katoden innstallert i kammeret besto av 50 % Ti og 50 % Hf. Overflaten av borene og prøvestykkene ble belagt med en motstandsdyktig forbindelse (Ti, Hf) N under forskjellig oppvarmingsbet i.ngelse, og ved forskjellige nitrogentrykk. Orienteringsgraden av mikrokrystallene av den van-skelig smeltbare forbindelse ble evaluert som i eksempel 1.

Fem bor i hvert utvalg av ferdige gjenstander med et belegg av den motstandsdyktige forbindelse (Ti,Hf), N ble utprøvd ved å bore hull i grafitt med en vertikal bormaskin under de føl-gende skjærbetingelser:

hastighet, V = 68 m/min

mating, S = 0,18 mm/r,

hulldybde, 16 mm.

Tabellen under viser resultatene oppnådd i prøving av bor og prøvestykker utsatt for en røntgénstrålediffraksjonsanalyse under forskjellige operasjonsbetingelser. Prøveresultatene viser at den høyeste varighet av bor ble oppnådd under følgende betingelser: En hardlegeringsbasis oppvarmingstemperatur på 600 til 700°C før innføring av nitrogen;"et nitrogentrykk på 6,65 10 Pa; og en hardlegeringsbasis oppvarmingstemperatur på 100 til 600°C ved tidspunktet for påføring av belegg.

Den høyeste varighet ble oppnådd i tilfelle hvor borene hadde et belegg av en motstandsdyktig forbindelse (Ti, Hf) N, som innbefattet mikrokrystaller, et maksimalt antall av hvilke var orientert parallelt med bearbeidelsesoverflaten av basisen ved planet 4 (5) med minimal overflateenergi.

Oppfinnelsen kan anvendes for å tilvirke skjærverktøy fra ulike verktøymaterialer.

Claims (3)

1. Skjærverktøy innbefattende en basis hvilke bearbeidelses-overf late har et slitasjemotstandsdyktig belegg innbefattende mikrokrystaller av en motstandsdyktig forbindelse som inneholder i det minste et metall og i det minste et element fra C, N, 0, B-gruppen, karakterisert ved at et maksimalt antall av mikrokrystaller av den motstandsdyktige forbindelse inneholder i det minste et metall og i det minste et element fra C, N, 0, B-gruppen og i tillegg inneholder Si, er orientert parallelt med bearbeidelsesflaten (2) av en basis

(1) i det samme krystallografiske plan (4,5).

2. Verktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at det krystallografiske plan (4,5) i hvilke mikrokrystaller er orientert har minimal overflateenergi.

3. Fremgangsmåte for tilvirkning av et skjæreverktøy ifølge krav 1, innbefattende trinnene av å fordampe og ionisere i det minste et metall i et vakuummiljø, og oppvarme nevnte basis (1) av skjærverktøyet og å rense den bearbeidingsflate.

(2) ved bombardering av ioner av i det minste et metall, og tilføre en gassreagens og påvirkning med i det minste et metall med i det minste et element inntil et slitasjemotstandsdyktig belegg er formet fra nevnte motstandsdyktige forbindelse som inneholder mikrokrystaller, karakterisert ved at basisen (1) av skjærverktøyet oppvarmes til en temperatur mindre enn 100°C under dets bløtgjøringspunkt og opp-rettholder under dannelsen av et belegg (3) innenfor området fra nevnte temperatur til +50°C, mens trykket av gassen opprettholdes innenfor området av fra 13,3 Pa til 1,33 10 Pa.